一种低压p型氧化物纳米纤维场效应晶体管的制备方法与流程

技术领域:

本发明属于场效应晶体管制备技术领域，涉及一种一种低压p型氧化物纳米纤维场效应晶体管的制备方法，特别是一种利用静电纺丝技术制备基于p型氧化镍(nio)纳米纤维的低压、高性能场效应器件的方法。

背景技术：
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随着科学技术的发展，平板显示产业已经成为电子信息领域的“核心支柱产业”之一，在显示技术的发展过程中，非晶硅场效应晶体管(fet)的使用实现了显示技术从真空到平板的转型，从传统的非晶硅fet到多晶硅fet，从高温的多晶硅fet到低温的多晶硅fet再到金属氧化物fet，制备技术越来越成熟，从产品开发上看已经覆盖了相机、手机、笔记本电脑、电脑显示器和电视等领域。近几年，随着透明金属氧化物研究的深入，以二元氧化锌和氧化铟，三元铟锌氧和锌锡氧，四元铟镓锌氧等n型薄膜材料为沟道层的fet被广泛报道。这些材料本身具有很高的电子浓度和较大的禁带宽度，用这些金属氧化物制作的fet具有可见光范围透明，迁移率高、工艺温度低等优点。然而，由于缺乏具有高的迁移率、性能稳定和易于制备的p型氧化物，p型氧化物fet的发展受到严重制约。相比于n型fet，p型fet在显示技术领域具有更明显的优势，即为oled阳极提供空穴电流时不会影响漏极电流，能实现更高质量的显示应用。此外p型氧化物tft也是互补金属氧化物半导体(cmos)的必需组成部分。与单一极性沟道fet电路相比，大尺寸显示驱动电路更需要互补fet集成器件。cmos是电压控制的一种放大器件，是组成cmos数字集成电路的基本单元。目前，对p型氧化物材料的研究主要集中在zno的p型掺杂方面，但实现起来非常困难，而且将其久置在空气中还会发生p型到n型的转变。然而目前对于本征p型氧化物fet的研究仍然处于初级阶段，截至目前，本征p型氧化物tft材料屈指可数，只有氧化(亚)铜、氧化镍、氧化亚锡等少数几种材料，且性能远远达不到n型氧化物fet的水平。p型氧化物tft在液晶显示中的应用是显示技术领域又一待攻破的难题。因此，目前氧化物fet发展的当务之急是研究发展与n型氧化物fet性能相匹配的p型氧化物半导体材料。

近几年一维纳米材料凭借独特的纳米尺度、高比表面积、较大的长度/直径比，以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，成为材料领域的研究热点。一维纳米结构材料比如无机半导体纳米线/管/棒、碳纳米管、和高分子纳米纤维/管等是目前科学研究的热点之一，它们在纳米电子器件、光学器件、传感器、过滤装置、能源收集、存储和转化器件、纳米复合材料以及生物医学等诸多领域有广阔的应用前景(chem.soc.rev.41,5285,2012)。静电纺丝技术是指聚合物溶液或者熔体在高压静电场作用下形成纤维的过程，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法，具有操作工艺简单以及较广泛的适用性等特点，该技术由formhals等在20世纪30年代申请的一系列美国专利中进行报道，他以乙酸纤维素为研究对象，阐述了聚合物溶液如何在电极问形成射流(uspatentno.1975504，1934)。但是随后在利用静电纺丝技术制备聚合物纤维方面的研究发展较为缓慢，尚未引起广泛的关注。直到20世纪90年代，由于美国阿克隆大学reneker小组的一系列研究工作，特别是随着纳米科技的发展，世界各国的科研界和工业界对高压静电纺丝技术的研究热情开始重新点燃，静电纺丝技术近年来获得了快速发展(nanotechnology7,216,1996)，静电纺丝技术不只可以制备聚合物纤维，还可以制备复合纤维和氧化物纤维，当金属氧化物的材料优势和静电纺丝的技术优势相结合的时候，一幅美好的微电子技术发展路线图呈现在我们面前。尽管研究人员付出了大量的努力，但是静电纺丝纳米纤维场效应晶体管的器件性能还是差强人意，极大的压制了这个极被看好的研究方向的发展。因此通过优化试验工艺制备高性能低维纳米器件成为集成电路下一步发展的亟待解决的任务。本发明利用“静电纺丝”方法制备氧化镍(nio)纳米纤维，并首次制备了基于高k介电层的低压p型nio纳米纤维fet器件。基于上述工艺，制备的nio/al2o3结构的tft器件不仅具有较高的载流子迁移率(2.75cm²/vs)，而且具有极低的操作电压(<5v)，有效降低了器件能耗，这些优点使其在未来的低能耗电子显示、cmos集成领域有很广阔的潜在市场。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计和提供一种制备低压、高性能p型金属氧化物纳米纤维场效应晶体管的方法，以二甲基甲酰胺和甘油作为溶剂，硝酸镍为溶质，聚乙烯吡咯烷酮作为增稠剂，采用“静电纺丝”技术、热退火相结合的方式制备高质量p型nio纳米纤维半导体材料，进一步制备以nio纳米纤维为沟道层的fet器件，利用溶胶凝胶技术制备的al2o3高k介电薄膜能替代传统的热氧化sio2栅介电层，实现高性能、低能耗nio纳米纤维器件的制备。

为了实现上述目的，本发明具体包括以下工艺步骤：

(1)nio前驱体溶液的制备：先将硝酸镍(ni(no3)2·h2o)溶于二甲基甲酰胺和甘油的混合溶液中，其中二甲基甲酰胺和甘油的体积比为1:0.1-9:1，在20-90摄氏度下磁力搅拌1-24小时形成澄清透明、浓度为0.01-0.5摩尔的前驱体溶液，再将聚乙烯吡咯烷酮(130万分子量)加入到前驱体溶液中，每5毫升前躯体溶液添加聚乙烯吡络烷酮0.1-1.5克；

(2)nio纳米纤维的制备：先将带有200纳米厚的sio2或者涂有al2o3高k薄膜的si片放置在静电纺丝装置接收端，前躯体溶液注入注射泵内，静电纺丝装置针头处连接直流高压电源，接收端距离针头为5-25厘米，设置注射泵推进速度为0.1-1.5毫升/小时，直流高压为10-20千伏，在电场力、库仑力和表面张力等作用下，前驱体溶液喷出并剧烈抖动，纳米纤维直径显著下降，最后被接收端接收，在sio2或si片上得到均匀分布的nio复合纳米纤维样品；其中纳米纤维的收集时间为5-120秒，再将nio复合纳米纤维样品放到高压汞灯下利用uv光处理20-60分钟，其中汞灯波长范围为200-400纳米，功率为500-1200瓦，然后将光处理后的nio复合纳米纤维样品样品放置在炉子中进行高温煅烧处理得到相纯的nio纳米纤维；其中炉子温度为300-700摄氏度，退火时间为30-150分钟；

(3)源、漏电极的制备：利用真空热蒸发技术和不锈钢掩膜版在nio纳米纤维沟道层上制备金属源、漏电极，即得到基于sio2或al2o3高k介电层的nio纳米纤维fet器件。

本发明所述al2o3高k薄膜的制备参数见cn201510835588.7。

本发明所述静电纺丝装置为市售产品longerpump。

本发明与现有技术相比，有以下优点：一是采用“静电纺丝”技术制备p型nio半导体纳米纤维，相比于其他的纳米材料制备技术(如化学气相沉积或者水热法)，该技术工艺简单，易于操作，成本低廉、适合工业大面积生产；二是该发明中首次制备了基于静电纺丝技术的p型nio纳米纤维场效应器件，极大地解决了该领域的空白，为低维器件和cmos电路的发展奠定重要基础；三是首次尝试利用化学溶液法制备超薄高k介电薄膜来代替传统sio2作为p型fet器件的栅介电层，得到的器件具有更低的操作电压，更加节能，为低功耗、高性能cmos器件的发展奠定良好的科学基础；其总体实施方案低成本，工艺简单，原理可靠，产品性能好，制备环境友好，应用前景广阔，为大面积制备高性能纳米纤维fet器件提供可行性方案。

附图说明：

图1为本发明实施例制备的nio复合纳米纤维结构图。

图2为本发明实施例得到的相纯的nio纳米纤维网格结构图，其中(a)为550℃热退火后的nio纳米纤维网格，(b)为高分辨透射电镜所拍摄的单根nio纳米纤维，(c)为nio高分辨投射电镜图，(d)为nio选区电子衍射，从a-d图拍摄精度依次增加。

图3为本发明实施例制备的ni/nio/sio2/si转移特性曲线测试图，其中a，b，c，d分别在源漏电压为20，15，10，5伏时测得。

图4为本发明实施例制备的ni/nio/al2o3/si转移特性曲线测试图，其中a，b，c，d分别在源漏电压为5，4，3，2伏时测得。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例利用“静电纺丝技术”制备nio纳米纤维fet器件的工艺步骤主要包括：

(1)nio前驱体溶液的配制及nio纳米纤维的制备：

将0.14克硝酸镍、0.65克聚乙烯吡咯烷酮(130万分子量)加入到5毫升二甲基甲酰胺和甘油混合溶液中(其中二甲基甲酰胺和甘油的体积分别为4.5和0.5毫升)，用磁力搅拌器旋转12小时，得到绿色透明的粘性前驱体溶液；将带有200纳米厚的sio2的或者涂有20纳米厚的al2o3高k薄膜的si片放置在静电纺丝装置接收端，该接收端由接地的铝箔纸组成，静电纺丝装置针头处连接直流高压电源，接收端距离针头固定为15厘米；设置注射泵推进速度为0.5毫升/小时，直流高压为15千伏，在电场力、库仑力、表面张力等作用下纳米纤维最后被接收端接受(其中纳米纤维的收集时间为15秒)，最后得到均匀分布的nio复合纳米纤维(图1)；

(2)煅烧处理：

对步骤(1)得到的nio复合纳米纤维首先利用uv光处理40分钟，其中汞灯波长主峰为365纳米，功率为1000瓦，该步骤有效地提高了纳米纤维与衬底的粘附力，避免后续加热过程中纳米纤维的脱落；随后将纤维样品放置在炉子中进行550摄氏度煅烧90分钟，分解其中的有机物，得到相纯的nio纳米纤维网格(图2)；

(3)热蒸发沉积源、漏金属电极：

通过真空热蒸发技术，在nio纳米纤维沟道层上用宽长比为1000/100微米的不锈钢掩膜版制备100纳米厚的金属ni作为源、漏电极，制备得到ni/nio/al2o3/si和ni/nio/sio2/si结构的fet器件；

本实施例制备的nio纳米纤维场效应晶体管进行测试，其中ni/nio/sio2/si转移特性曲线测试如图3(其中a，b，c，d4根转移曲线分别在源漏电压为20，15，10，5伏时测得)；从图3可以看出随着制得的nio纳米线具有极好的场效应调控，器件电流开关比超过10³。这也是目前该领域首次报道具有良好场效应调控能力的p型金属氧化物纳米线器件；ni/nio/al2o3/si转移特性曲线测试如图4所示(其中a，b，c，d4根转移曲线分别在源漏电压为5，4，3，2伏时测得)，从图4可以看出利用al2o3高k介电层替换传统的sio2，器件的操作电压从35伏降低到只有5伏，这也是首次报道可低压操作的p型金属氧化物纳米线器件，对于便携式、电池驱动的设备提供可靠地技术保障。